隔離開關(guān)支柱絕緣子應(yīng)力仿真分析

孫賀斌，魏曉梟，周治伊，周延科，李 輝

（1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2. 甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070；3. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

支柱絕緣子具有化學(xué)性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、絕緣性好等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)首選的隔離開關(guān)支撐部件[1,2]。戶外隔離開關(guān)支柱絕緣子在運(yùn)行過程同時(shí)承受工作載荷和風(fēng)載荷。

現(xiàn)階段，關(guān)于支柱絕緣子工作載荷的研究較為成熟，而關(guān)于風(fēng)載荷的研究鮮有報(bào)道。與工作載荷一樣，風(fēng)載荷作用在支柱絕緣子上會(huì)導(dǎo)致支柱絕緣子發(fā)成彎曲變形，而彎曲部位出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象可能造成事故發(fā)生[3,4]。

此外，膠合狀態(tài)對(duì)支柱絕緣子性能也有顯著影響。近年以來，相關(guān)研究工作已取得一定的成果[5-7]。文獻(xiàn)[8]針對(duì)支柱瓷絕緣子進(jìn)行了受力分析與設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[9]對(duì)棒形支柱瓷絕緣子彎曲應(yīng)力進(jìn)行了有限元仿真分析。文獻(xiàn)[10]針對(duì)隔離開關(guān)中支柱絕緣子的風(fēng)載荷進(jìn)行了計(jì)算。文獻(xiàn)[11]采用 3種計(jì)算方法模擬了風(fēng)載荷對(duì)支柱絕緣子的影響。但是，文中只考慮了瓷件的力學(xué)性能指標(biāo)，未考慮構(gòu)成絕緣子3種材料力學(xué)性能的不同。

本文在不同固定約束條件下，計(jì)算了瓷件、鑄鐵及水泥這3種絕緣子構(gòu)成材料對(duì)支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力的影響，仿真模擬了支柱絕緣子在不同風(fēng)速下的最大彎曲應(yīng)力分布及變化情況。

1 支柱絕緣子的建模

在進(jìn)行仿真分析之前，需要計(jì)算作用在支柱絕緣子上的風(fēng)載荷。

目前大量研究工作采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行風(fēng)載荷估算。文獻(xiàn)[11]采用湍流模型中的k-ε模型，利用軟件進(jìn)行風(fēng)載荷仿真計(jì)算；同時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

本文采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算。

式中：F為絕緣子承受的風(fēng)載荷，N；A為絕緣子受風(fēng)方向正投影面積，m2；u為風(fēng)速，m/s。

文獻(xiàn)[10]認(rèn)為風(fēng)速超過25 m/s時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式（1）風(fēng)載荷計(jì)算過高；所以利用最小二乘法擬合原理，將公式（1）進(jìn)行了修正：

采用上述經(jīng)驗(yàn)公式（1）（2）計(jì)算出風(fēng)載荷后，文獻(xiàn)[11]將計(jì)算的風(fēng)載荷視作一個(gè)集中力，施加在絕緣子上法蘭頂部。文獻(xiàn)[12-14]為了確保下法蘭彎矩保持不變，在計(jì)算出風(fēng)載荷后，將所計(jì)算載荷一半施加在上法蘭上。

利用三維建模軟件SolidWorks對(duì)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示的支柱絕緣子進(jìn)行建模。如圖1所示，本文對(duì)2種膠合狀態(tài)分別進(jìn)行了建模，即下法蘭與瓷體1/4水泥膠合狀態(tài)、整體水泥膠合。

圖1 支柱絕緣子模型Fig. 1 Post insulator models

支柱絕緣子外形尺寸：總高1 140 mm，下法蘭高80 mm，下法蘭直徑Φ225 mm，大傘裙Φ199.2 mm，小傘裙Φ168.2 mm，大小傘裙間距30 mm，上法蘭直徑Φ170 mm。

將SolidWorks文件導(dǎo)入COMSOL仿真軟件中。材料從COMSOL材料庫(kù)及內(nèi)置材料中進(jìn)行選擇，其中膠合水泥采用內(nèi)置材料中“Concrete”，鑄鐵采用內(nèi)置材料中“Cast iron”，瓷體采用材料庫(kù)中“SiO2（fused quartz）”。瓷體抗拉強(qiáng)度65 MPa，斷裂韌性4.5 MPa·mm1/2，其他相應(yīng)材料力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)Tab. 1 Material mechanical properties parameters

利用自由四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為減少計(jì)算量采用較細(xì)網(wǎng)格，其中最大單元為0.062 7 m，最小單元為0.004 55 m，最大單元增長(zhǎng)率為1.3，狹窄區(qū)域分辨率為0.6。

2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)所述支柱絕緣子外形尺寸，可計(jì)算出在風(fēng)速方向支柱絕緣子的正投影面積為0.211 2 m2。

利用經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算10 m/s及20 m/s風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷，利用修正公式（2）計(jì)算30 m/s、40 m/s、50 m/s對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷。

采用COMSOL仿真軟件“物理場(chǎng)–固體力學(xué)–穩(wěn)態(tài)分析”研究支柱絕緣子力學(xué)性能。

本文從以下5種不同約束方式（S1—S5）開展對(duì)比分析。

（1）下法蘭盤固定約束——1/4水泥膠合狀態(tài)（S1）

仿真條件：1/4水泥膠合狀態(tài)，底座整個(gè)下法蘭盤固定約束，支柱絕緣子在風(fēng)速10 m/s變化到50 m/s。該條件下彎曲應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 彎曲應(yīng)力分布Fig. 2 Bending stress distribution

從圖2看出，風(fēng)速?gòu)?0 m/s變化到50 m/s時(shí)，支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力從0.42 MPa增加到9.3 MPa；不同風(fēng)載荷下，最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在法蘭與瓷體下部接觸的地方。

（2）下法蘭盤固定約束——整體膠合狀態(tài)（S2）

仿真條件：整體水泥膠合狀態(tài)，底座整個(gè)下法蘭盤固定約束，支柱絕緣子在風(fēng)速10 m/s變化到50 m/s。該條件下彎曲應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 彎曲應(yīng)力分布云圖Fig. 3 The nephogram of bending stress distribution

從圖3看出，風(fēng)速?gòu)?0 m/s變化到50 m/s時(shí)，支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力從0.4 MPa增加到8.89 MPa；不同風(fēng)載荷下最大彎曲應(yīng)力也發(fā)生在法蘭與瓷體下部接觸的地方。

如圖4所示，與S1相比，2種約束在風(fēng)速為10 m/s時(shí)，最大彎曲應(yīng)力相接近；隨著風(fēng)速的增大，最大彎曲應(yīng)力變化增大，且風(fēng)速在50 m/s時(shí)，S1最大彎曲應(yīng)力比S2增加了0.41 MPa。

圖4 S1與S2不同風(fēng)速與彎曲應(yīng)力關(guān)系Fig. 4 Relationship between different wind speeds and bending stress in S1 and S2

（3）下法蘭盤及水泥固定約束——整體膠合狀態(tài)（S3）

仿真條件：整體水泥膠合狀態(tài)，底座整個(gè)下法蘭盤及水泥固定約束，支柱絕緣子在風(fēng)速10 m/s變化到50 m/s。該條件下彎曲應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 彎曲應(yīng)力分布Fig. 5 Bending stress distribution

從圖5看出，風(fēng)速?gòu)?0 m/s變化到50 m/s時(shí)，支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力從0.51 MPa增加到11.3 MPa；不同風(fēng)載荷下最大彎曲應(yīng)力同樣發(fā)生在法蘭與瓷體下部接觸的地方，且最大彎曲應(yīng)力明顯比S1、S2增大。與S2相比，S3支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力增加了2.41 MPa。故水泥膠合對(duì)支柱絕緣子彎曲應(yīng)力有很大的影響。

（4）水泥固定約束——整體膠合狀態(tài)（S4）

仿真條件：整體水泥膠合狀態(tài)，水泥固定約束，支柱絕緣子在風(fēng)速10 m/s變化到50 m/s。該條件下彎曲應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 彎曲應(yīng)力分布Fig. 6 Bending stress distribution

從圖6看出，風(fēng)速?gòu)?0 m/s變化到50 m/s時(shí)，支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力從0.66 MPa增加到14.5 MPa，不同風(fēng)載荷下最大彎曲應(yīng)力也發(fā)生在法蘭與瓷體下部接觸的地方。

童年的時(shí)光是多么美好,多么令人向往。童年是一段純真難忘的歲月,這讓我想起了童年在鄉(xiāng)下快樂踢足球的那件事。

從圖7看出，與S3相比，S4支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力增加了 22.1%。單獨(dú)考慮水泥固定約束時(shí)，可能過高地模擬計(jì)算了支柱絕緣子彎曲應(yīng)力，這可能導(dǎo)致仿真計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖7 S3與S4不同風(fēng)速與彎曲應(yīng)力關(guān)系Fig. 7 Relationship between different wind speeds and bending stress in S3 and S4

如圖8所示，4種不同約束的最大彎曲應(yīng)力都隨風(fēng)速的增加對(duì)應(yīng)增大，且風(fēng)速越大最大彎曲應(yīng)力增大越快。最大彎曲應(yīng)力都發(fā)生在法蘭與瓷體下部接觸的地方。此處應(yīng)力集中較大，支柱絕緣子斷裂風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重。當(dāng)有水泥膠合時(shí)，最大彎曲應(yīng)力明顯比無水泥膠合時(shí)彎曲應(yīng)力大；當(dāng)水泥膠合做固定約束時(shí)，最大彎曲應(yīng)力達(dá)最大。

圖8 4種不同方法不同風(fēng)速與彎曲應(yīng)力關(guān)系Fig. 8 Relationship between different wind speeds andbending stress of four different methods

與S4固定約束相比，S1固定約束仿真結(jié)果的最大彎曲應(yīng)力要偏小很多。S4固定約束過高計(jì)算了支柱絕緣子彎曲應(yīng)力。因此在仿真建模過程中，不但要用正確的計(jì)算方法，還要選擇合適的固定約束；要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考慮真正位移不發(fā)生變化的固定約束，不能籠統(tǒng)采用某一種固定約束，否則仿真結(jié)果會(huì)有所偏差。

（5）下法蘭盤及水泥固定約束——整體膠合狀態(tài)（S5帶缺陷）

仿真計(jì)算條件：風(fēng)速 30 m/s；水泥膠合，底座整個(gè)下法蘭盤及水泥固定約束；在水泥膠合層與瓷件接觸區(qū)間下，初始裂紋長(zhǎng)6.8 mm，深度為0.5 mm。

S5應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果如圖9所示。COMSOL固體力學(xué)模塊計(jì)算繪制的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子 K1曲線如圖10所示。

圖9 裂紋處彎曲應(yīng)力分布Fig. 9 Bending stress distribution at the crack

圖10 應(yīng)力強(qiáng)度因子（K1）值Fig. 10 Stress intensity factor (K1) value

從圖9、圖10中可看到，裂紋缺陷處彎曲應(yīng)力達(dá)32.9 MPa，裂紋處應(yīng)力強(qiáng)度因子在裂紋位置接近90°時(shí)最大，其值為3.6 MPa·mm1/2。所以：

（1）在特定載荷下，裂紋缺陷處最大應(yīng)力約為32.9 MPa，小于瓷件的抗拉強(qiáng)度65 MPa，裂紋缺陷位置附近未發(fā)生變形失效。

（2）在特定初始裂紋狀態(tài)下，模型中裂紋位置應(yīng)力強(qiáng)度因子小于材料的斷裂韌性4.5 MPa·mm1/2，支柱絕緣子不會(huì)發(fā)生突然斷裂。

在以往相關(guān)文獻(xiàn)[15,16]中，通常認(rèn)為支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在下部第一和第二傘裙之間。此結(jié)論與本文仿真結(jié)果有差異。本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[11]結(jié)論基本相同——最大彎曲應(yīng)力都發(fā)生在法蘭與瓷體下部接觸的位置；同是，本文考慮了瓷件、鑄鐵及水泥膠合的共同影響，彌補(bǔ)了文獻(xiàn)[11]的不足。

相關(guān)文獻(xiàn)中仿真結(jié)果的不同，由以下幾個(gè)方面原因造成：（1）所研究的支柱絕緣子結(jié)構(gòu)尺寸不一，造成應(yīng)力集中位置不同；（2）風(fēng)載荷計(jì)算方式不同，加載方式也不同；（3）考慮材料力學(xué)性能不同，沒有按實(shí)際材料進(jìn)行仿真；第四，固定約束條件不同，導(dǎo)致研究結(jié)果差距較大。

文獻(xiàn)[17]認(rèn)為支柱絕緣子瓷體下部法蘭連接口附近應(yīng)力集中明顯。文獻(xiàn)[18]研究結(jié)果表明，支柱絕緣子斷裂發(fā)生在瓷體下部與法蘭膠合處。文獻(xiàn)[19,20]研究結(jié)果都表明，隔離開關(guān)支柱瓷絕緣子開裂事故大都發(fā)生在下部法蘭與瓷體連接處。在文獻(xiàn)[11]風(fēng)載荷下支柱瓷絕緣子仿真計(jì)算結(jié)果中，最大應(yīng)力集中位置也發(fā)生在下部法蘭與瓷體連接附近。本文仿真結(jié)果與上述文獻(xiàn)基本一致，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

3 結(jié)論

本文通過計(jì)算獲得不同風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷數(shù)值；模擬分析了有無水泥膠合時(shí)，隔離開關(guān)支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力狀態(tài)特征。與現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析了不同研究結(jié)論的成因。

在水泥膠合層缺失狀態(tài)下，支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力明顯增大。同一風(fēng)速下，水泥膠合缺失狀態(tài)下的最大彎曲應(yīng)力較整體水泥膠合狀態(tài)下的最大彎曲應(yīng)力提高。同一膠合狀態(tài)下，隨著風(fēng)速增大，最大彎曲應(yīng)力逐漸增大，且增幅逐漸變大。

不同固定約束條件下，單獨(dú)考慮水泥膠合時(shí)支柱絕緣子最大彎曲應(yīng)力達(dá)到最大。最大彎曲應(yīng)力相比整個(gè)法蘭盤及水泥固定約束時(shí)增加了22.1%。

絕緣子在不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷下最大彎曲應(yīng)力都發(fā)生在下法蘭與瓷體下部接觸的地方。

所考慮的支柱絕緣子外形尺寸不一、風(fēng)載荷計(jì)算方式不同、加載方式不同、仿真時(shí)所考慮的材料及材料力學(xué)性能的不同、固定約束條件不一：都是造成研究結(jié)果不盡相同的原因。

對(duì)支柱絕緣子性能進(jìn)行分析，不但要用正確的計(jì)算方法，還要選擇合適的固定約束。在生產(chǎn)實(shí)際中，應(yīng)正確考慮真正位移不發(fā)生變化的固定約束，不能籠統(tǒng)采用某種固定約束。